HUST-09:世界上最高的物體間引力常數G值之一
2023-03-31 16:30:14 1
300多年前，牛頓發現了萬有引力定律，提出了物體間引力常數G的精確計算，但由於重力很弱，作為人類已知的第一基本物理常數，G值的測量精度是到目前為止還是最糟糕的一次。
在湖北武漢華中科技大學，有一群科學家堅持重建防空洞，在嚴酷的環境中忍受著難以想像的孤獨和孤獨。30多年來，他們一直在探索萬有引力的奧秘，把萬有引力常數的G值逐個推向新的測量精度。世界上最精確的G值，以趕上世界一流的基礎研究。
在發現萬有引力定律100多年後，英國物理學家卡文迪什首先用扭轉秤來測量G值。因此，他被認為是歷史上第一位測量萬有引力常數的科學家。他的實驗也被稱為測量地球重量的實驗。從那時起，來自世界各地的科學家一直在不懈地努力測量更精確的G值。
重力測量的難點在於實驗對地面振動、電磁力、溫度變化等幹擾十分敏感，華中科技大學重力中心是我國唯一的重力實驗研究基地。80年代初，他們在準備施工時，在餘家山校區選了一個洞作為實驗室，洞內黑暗潮溼，但振動小，溫度恆定，是一個罕見的重力試驗場。
從那時起，由羅軍帶領的團隊就一直在山洞裡呆著。在過去的10年裡，羅軍除了吃飯和睡覺外，幾乎所有的時間都呆在山洞裡。這些年來，一半以上的頭髮脫落了，臉上出現白斑，甚至一個月有一兩次感冒。因為洞穴裡的溫度一年到頭都是20攝氏度，而且溫差不超過1攝氏度，所以羅軍一年到頭只穿一件襯衫，過著自己的恆溫季節。
十多年前，1998年，羅軍發表了重力常數105ppm（1ppm，百萬分之一）的相對精度測量結果，成為當時世界上最高的G值之一。國際科學技術數據委員會（CODATA）的物理常數，以華中理工大學的英文縮寫HUST命名。
基礎科學研究就像攀登陡峭的懸崖，漫長而艱巨。重力實驗是一項長期而艱巨的研究，從實驗設備的設計、研磨，到實驗數據的獲取，每一步向前往往需要十幾年甚至更長的時間。數十年的苦難。
經過十年的實驗和研究，羅軍的團隊將G值的測量精度提高到26ppm，這是用扭力平衡循環法測量的最高精度G值，實驗結果再次被納入CODATA值，命名為HUST-09。
羅軍說，這種精確度相當於放置在1米極末端的百萬分之一的塵埃的重量，也可以測量。
華中科技大學物理學院副院長杜亮成說，做這樣的實驗不是瘋狂和固執。
這種瘋狂和固執從未停止過。在過去的十年裡，羅軍的團隊在同一個實驗室裡用兩種不同的方法測量了引力常數，扭秤周期法和角加速度法。給出了世界上精度最高的G值，相對不確定度優於12ppm。
對局外人來說，這似乎是相當乏味的，但我們不認為這是因為我們研究的問題是科學的未解決的領域。團隊成員楊珊青說，在未知的世界裡探索是一件愉快的事情，即使你取得了一些進步。
從羅軍到周澤兵，從胡忠昆到70後的屠良成，從周明康到楊善慶，從80後的段小春，甚至到90後的博士生和碩士生，幾代地心引力的人們已經能夠忍受孤獨並保持寒冷，所以他們簡單地生下了寒臺學生的基礎研究。
1985年洞穴實驗室建成時，有14名預備人員，現在只剩下羅軍和一名工作人員。今天，只有華中科技大學的重心從來沒有中斷過。
塗亮成說：原因很清楚。實驗周期很長。堅持大項目很難，而且這種基礎研究一般不是熱點，而是冷門。
然而，LuoJun和他的團隊認為，精確測量G值不僅對於測試牛頓的引力定律和研究引力相互作用定律，而且對於計量經濟學，以及包括地震、地質學在內的自然環境監測都具有重要意義。CAL資源調查等重要戰略的現實意義。
重力常數精度的每次提高也是精密測量技術的一次革命，他們堅信解決基礎科學中的難題，將促進國家科學技術的進步。
為此，他們不僅堅持，而且提出了創新的精密測量實驗方案，相繼解決了關鍵問題。
在重心開始準備，有三種情況：沒有財政支持，沒有數據可以發現，沒有工具來使用。由於重力和重力測量實驗研究的重要性，國外數據無法獲得，並沒有先例可循，F在中國。
儀器的先進性直接決定了重力實驗的數據精度，曾幾何時，重心想從國外實驗室購買一些衛星重力測量儀器。另一方則認為樂器不是商品，而是無價之寶。如果中國想要使用它，它必須交換它。
如何交換也就是說，他們提供儀器，我們必須給他們原始數據。這是一個非常苛刻和不合理的要求，這意味著它可能被送交國家秘密。羅軍說，在這次事件之後，重心變得更加堅定地採取獨立的研究路徑——獨立於d。設計實驗路線，自主開發測量方案，自主研發儀器設備。
在重力實驗中使用了一種特殊的鋼球。每個球的圓度應該精確到1微米，要買的球的最佳精度是5到10微米。單球持續九個月，最終達到0.8微米。
經過四次球磨，取得了很好的效果，數據穩定性很高。薛超說，這只是精密測量實驗中要做的大量工作。
G值的測量原理已經很清楚，但測量過程非常複雜和複雜，為了提高測量結果的可靠性，羅軍的團隊在實驗中使用了兩種獨立的方法：扭秤循環法和扭矩sc法。角加速度反饋法。雖然這兩種實驗方法不再新穎，但裝置的設計和與兩種方法相關的許多技術細節需要由團隊成員自己探索和開發。
我們採用兩種不同的方法逐步提高精密度，並自行研製了一批儀器。再過十年，我們取得了世界上最好和國際公認的最高精密度。研究小組成員楊善清教授說。
聯合天體物理實驗室（JILA）前任主席詹姆斯·E·法勒教授說，該小組工作出色，為獲得準確的G值作出了極其重要的貢獻。LuoJun、他的團隊和如此優秀的實驗室是中國的驕傲。
洞穴實驗室位於武漢市洪山區虞家山下。隧道長而深，有斑駁的水泥塗層。隧道兩側都有各種儀器和設備的實驗室。無論白天還是晚上，這些實驗室的燈光總是在明亮的一面。如果沒有光，這將是看不到盡頭的黑暗。
有人質疑：如果沒有看到今天的成就，十、十年內的基礎重力科學研究和探索本身就高度不確定。值得嗎
科學研究的魅力總是讓科學家們難以抗拒。他們的答案幾乎一致：它足以測量最精確的G值，並取得最好的科學成就。
目前，溶洞實驗室不斷擴大，實驗條件比以前更好。一批有理論和實踐能力兼備的優秀人才正在這裡成長，但是，對科研的執著和名望的無知並沒有改變，科學領域的創新熱情也沒有改變。
冷原子物質波幹涉法具有電位靈敏度高、對重力敏感等優點，是重力精密測量的新方向。五年了，但他從未放棄過。經過12年的努力，他超越了冷原子幹涉重力測量領域，一路領先。
重力中心實驗室的G測量技術可用於國民經濟建設、國防科技等領域。G值測量海洋、多臺高端儀器設備相繼問世，在地球重力場測量和地質勘探中發揮了重要作用。
在過去的18年中，科研團隊通過應用精密測量技術，突破制約我國重力衛星研究的瓶頸，突破技術，在高精度衛星加速度計關鍵技術方面取得了突破。杜亮成說，將來，我們可以利用重力為地球進行核磁共振，我們可以掌握中國自己手中的礦產資源等戰略信息。
這棵樹的心臟還很新鮮。在2014年，羅軍院士提出了引力波探測的Lyra項目，它挑戰了引力研究的前沿和世界科學研究的新高峰。
在精密測量研究中，探索重力波是一個絕對的技術挑戰。羅軍說，它需要測量兩顆衛星之間在17萬公裡處的雷射微擾，才能達到像差計的精度，相當於頭髮直徑的十分之一。
願意坐在長凳上，勇敢地植樹。雖然這將是又一次漫長而艱苦的攀登，但是這些洞穴中的萬有引力的人們堅信，不管是重力測量還是重力波勘探，基礎科學必將引領一個國家的人才，技術進步，實現了前瞻性基礎研究和領導原始成果的重大突破，鞏固了世界上科技強國的建設，奠定了基礎。
